CAN总线技术剖析

1、摘要：随着工业测控技术和生产自动化技术的不断进步，传统的 RS-232 RS-485 和 CCITTV.24 通信技术已不能适应现代化的工业控制需要，而现场总线（Fieldbus）以其低廉的价格、可靠的性能而逐步成为新型的工业测控领域的通信技术。现场总线是应用在生产现场，在微机化测量控制设备之间实现双向串行多节点数字通信的系统，是一种开放式、数字化、多点通信的底 层控制网络。汇集了计算机技术、网络通信技术和自动控制技术（3C）的现场总线技术，从 20世纪 80 年代开始发展起来，并逐步在制造业、流程工业、交通、楼宇等方面的自动化系统中 得到了广泛的重视和应用。现场总线主要有以下几种类型1-3:

2、 基金会现场总线 （FF）、Lon Works、ProfiBus、CAN HART 而其中 CAN 即控制器局域网因为具有高性能、高可靠性以 及独特的设计而越来越受到关注，现已形成国际标准，被公认为几种最有前途的现场总线之一。Abstract:As industrial measurement and control technology and production automation technology advances，the traditional RS - 232，RS - 485 and CCITTV. 24 communication technology can not m

3、eet the needsof modern industrial control，and field bus (Fieldbus)，with its low price，reliable performance，andgradually become a new kind of communication technology in the field of industrial measurement andcontrol. Field bus is used in production field，between microcomputer-based measuring control

4、equipment to realize the bidirectional serial multi-node digital communication system，is a kind ofopen，digital，multipoint communication bottom control network. Brings together computertechnology，network communication technology and automatic control technology (3 c) field bustechnology，developed in

5、the 1980 s，and gradually in the manufacturing and process industries，transportation，building automation system has been widely attention and application. Fieldbusbasically has the following several types: 1-3 foundation fieldbus (FF)，LonWorks，ProfiBus，CAN，HART，and which CAN namely controller local a

6、rea network (LAN) because of the high performance，high reliability and unique design is more and more attention，already formed the internationalstandard，is recognized as one of the most promising fieldbus.2CAN的简介.3CAN的工作原理.4CAN总线的主要特点 .6CAN的应用领域.7CAN的发展前景.93CAN的简介CAN 是 Controller Area Network 的缩写（以下

7、称为 CAN）,是 ISO 国际标准化的串行通信协 议。在汽车产业中，出于对安全性、舒适性、方便性、低公害、低成本的要求，各种各样的 电子控制系统被开发了出来。由于这些系统之间通信所用的数据类型及对可靠性的要求不尽相同，由多条总线构成的情况很多，线束的数量也随之增加。为适应 减少线束的数量”、通过多个 LAN，进行大量数据的高速通信 ”的需要，1986 年德国电气商博世公司开发出面向汽 车的 CAN通信协议。此后，CAN 通过 ISO11898 及 ISO11519 进行了标准化，在欧洲已是 汽车网络的标准协议。在北美和西欧，CAN 总线协议已经成为汽车计算机控制系统和嵌入 式工业控制局域网的

8、标准总线，并且拥有以CAN 为底层协议专为大型货车和重工机械车辆设计的 J1939 协议。CAN 总线技术最初只是为了解决汽车工业在发展的过程中应用的线束过 长，影响汽车内空间的使用率和信息传递可靠性。随着CAN 总线技术的发展和不断成熟，CAN 总线技术广泛应用到了工业控制的各个角落。CAN 的高性能和可靠性已被认同，并被广泛地应用于工业自动化、船舶、医疗设备、工业设备等方面。现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。它的出现为分布式控制系统实现各节点之间实时、可靠的数据通信提供了强有力的技术支持。4CAN的工作原理CAN 总线使用串行数据传输方式，可以1M

9、b/s 的速率在 40m 的双绞线上运行，也可以使用光缆连接，而且在这种总线上总线协议支持多主控制器。CAN 与 I2C 总线的许多细节很类似，但也有一些明显的区别。当CAN 总线上的一个节点（站）发送数据时，它以报文形式广播给网络中所有节点。对每个节点来说，无论数据是否是发给自己的，都对其进行接收。每组报文开头的 11 位字符为标识符，定义了报文的优先级，这种报文格式称为面向内容的编 址方案。在同一系统中标识符是唯一的，不可能有两个站发送具有相同标识符的报文。当几个站同时竞争总线读取时，这种配置十分重要。当一个站要向其它站发送数据时，该站的CPU 将要发送的数据和自己的标识符传送给本站的 C

10、AN 芯片，并处于准备状态；当它收到总线分配时，转为发送报文状态。CAN 芯片将数据根据协议组织成一定的报文格式发出，这时网上的其它站处于接收状态。每个处于接收状态的站对接收到的报文进行检测，判断这些报文是否是发给自己的，以确定是否接收它。由于 CAN 总线是一种面向内容的编址方案，因此很容易建立高水准的控制系统并灵活地进 行配置。我们可以很容易地在CAN 总线中加进一些新站而无需在硬件或软件上进行修改。当所提供的新站是纯数据接收设备时，数据传输协议不要求独立的部分有物理目的地址。它允许分布过程同步化，即总线上控制器需要测量数据时，可由网上获得，而无须每个控制器都有自己独立的传感器。会议局域网

11、参会人员节点参会人员身份ID会议议题n报文发言顺序仲裁CAN 总线最初是由德国 BOSCH 公司为解决汽车监控系统中的诸多复杂技术和难题而设计的数字信号通信协议，它属于总线式串行通信网络。跟其他总线一样，CAN 总线的通信也是通过一种类似于“会议”的机制实现的，只不过会议的过程并不是由一方（节点）主导， 而是，每一个会议参加人员都可以自由的提出会议议题（多主通信模式）。多个控制单元以5并联方式经收发器与总线连接。每个控制单元都有权向总线发送信息（多主处理器结构）。6同一时刻只有一个控制单元向总线发送信息。其它的控制单元接收信息，其中一些控制单元对这些数据感兴趣并采用这些数据，而另一些控制单元则

12、可能不理会这些数据。由于采用了许多新技术和独特的设计思想，与同类产品相比，CAN 总线在数据通信方面具有可靠、实时和 灵活的优点。为使设计透明和执行灵活遵循 ISO/OSI 标准模型，CAN 总线结构划分为两层：物理层和数据链路层（包括逻辑链路控制子层 LLC 和媒体访问控制子层 MAC）。其中丄 LC 子层为 数据传递和远程数据请求提供服务；MAC 子层的功能主要是传送规则，即控制帧结构、执行仲裁、错误检验、出错标定和故障界定。要对数据进行实时处理，就必须将数据快速传送，这 就要求数据的物理传输通路有较高的速度。在几个站同时需要发送数据时，要求快速地进行总线分配。如果 2 个或 2 个以上的

13、单元同时开始传送报文，那么就会有总线访问冲突。 通过使用识别符的位形式仲裁可以解决这个冲突。CAN 总线以报文为单位进行数据传送，报文的优先级结合在 11 位标识符中，具有最低二进制数的标识符有最高的优先级。这种优先级一 旦在系统设计时被确立后就不能再被更改。总线读取中的冲突可通过位仲裁解决。CAN总线的主要特点(1) 可在各节点之间实现自由通信。CAN 总线采用了多主竞争式总线结构，具有多主站Sicuc-rcir bl ASlcunrgicrtiri BSlo-uertpcrdl匚电 fl 号性iS7运行和分散仲裁的串行总线以及广播通信的特点。CAN 总线上任意节点可在任意时刻主动地向网络上

14、其它节点发送信息而不分主次，因此可在各节点之间实现自由通信。CAN 总线协议已被国际标准化组织认证，技术比较成熟，控制的芯片已经商品化，性价比高，特别适用于 分布式测控系统之间的数据通讯。CAN 总线插卡可以任意插在 PC AT XT 兼容机上，方便地构成分布式监控系统。(2) CAN 网络节点可以安排优先级顺序，以满足和协调各自不同的实时性要求。数据通信没有主从之分，任意一个节点可以向任何其他(一个或多个)节点发起数据通信，靠各个节 点信息优先级先后顺序来决定通信次序，高优先级节点信息在134 ys 通信。(3) 采用非破坏性的总线仲裁技术，多点同时发送信息时，按优先级顺序通信，节省总线冲

15、突仲裁时间。多个节点同时发起通信时， 优先级低的避让优先级高的， 不会对通信线路造成 拥塞。CAN 只需对报文的标识符滤波即可以进行点对点、一点对多点和全域广播方式传递 信息。(5) 通信速率最高可达 1Mbps(40m 以内)，最长传递距离达 10km(速率为 5kbps 以下)。(6) CAN 上的节点数主要决定于总线驱动电路，目前可达110 个，报文标志符 2032 种(CAN2.0A)扩展标准(CAN2.0B)中报文标志符几乎不受限制。(7) CAN 总线通信接口中集成了 CAN 协议的物理层和数据链路层功能，可完成对通信数 据的成帧处理，包括位填充、数据块编码、循环冗余检验、优先级判

16、别等项工作。短帧数据 结构，传输时间短，抗干扰能力强，检错效果好。(8) 通信介质可以用双绞线、同轴电缆或光导纤维。(9)网络节点在错误严重的情况下可以自动关闭输出功能，脱离网络。(10)结构简单，只有 2 根线与外部相连，并且内部集成了错误探测和管理模块。8CAN的应用领域20 世纪 80 年代,德国的 BOSCH 公司首先应用 CAN 总线于汽车内部的测控通信。CAN 国际标准化的制定，更加推动了它的发展和应用，已有 INTEL MOTOROLA PHILIPS SIEMENS 等 百余家国际大公司支持 CAN 总线协议。现在，在欧美等国 CAN 总线已被广泛地应用于汽车、 火车、轮船、机

17、器人、智能楼宇、机械制造、数控机床、各种机械设备、交通管理、传感器、自动化仪表等领域。从 九五”开始，我国政府就投资支持现场总线的开发，其中 CAN 等总线在国内已经得到较广泛的应用，被大量地应用于工农业监控、电厂测控、火灾报警、变电站控制、煤炭综合监控等。与一般的通信总线相比，CAN 总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。由于其良好的性能及独特的设计，CAN 总线越来越受到人们的重视。它在汽车领域上的应用是是最广泛的，世界上一些著名的汽车制造厂商，BENZ 奔驰)、BMW(宝马)、PORSCHE 保时捷)、ROLLS-ROYCE?斯莱斯)和 JAGUAR 美洲豹)等都采用了 CAN

18、 总线来实现 汽车内部控制系统与各检测和执行机构间的数据通信。同时，由于 CAN 总线本身的特点，其应用范围已不再局限于汽车行业，而向自动控制、航空航天、航海、过程控制工业、机械工业、 纺织机械、农用机械、机器人、数控机床、医疗器械及传感器等领域发展。很多大专院校及 科研单位也投入大量的人力和资金加强现场总线，尤其是 CAN 总线技术的研究和开发。CAN 总线具有通信速率高、可靠性好、连接方便和性能价格比高等诸多优点，所以它的开发和应用发展迅速，国际上各大厂商不断研制和推出新的CAN 总线产品,并逐步形成系列。常见的有关 CAN 的芯片：(1)CAN 控制器：由 PHILIPS 公司生产的 8

19、2C200 是适用于汽车和一般工业环境控制的高集 成度独立控制器。它具有完成高性能通信协议所要求的全部必要特性，可通过并行总线和各种 CPU 接口。 INTEL 公司生产的 82526 是一种执行 CAN 规程的独立 CAN 通信控制器，符合 CAN2.0A标准。82527 是一种独立的 CAN 控制器，可通过并行总线与各种微控制器(INTELMOTOROLA 类型)接口也可以通过串行接口 (SPI 与无并行总线的微控制器(如 MC68HC05)接 口。CAN 控制器接口 :82C250 是 PHILIPS 公司生产的 CAN 总线收发器，用于 CAN 控制器与物 理总线的连接，可以提供对总线

20、的差动发送能力和对CAN 控制器的差动接收能力。类似功能的器件还有 SILIONI 公司的 SI9200。(3) CAN I/O 器件:P82C150 是带有位速率检测和校正的CAN 协议控制器的单片 16 位 I/O器件,提供可组态的事件捕获功能，支持由端口输入管脚上变化引起的自动发送。(4) 带有在片 CAN 的微控制器：这是一类在原有基础上增加了CAN 在片控制器等硬件功能的单片机。有 PHILIPS 公司的 P8XC592 和 P8XCE598 系列,INTEL 公司的 87C196CA/CB 等。基于 CAN 总线的系统硬件设计：现场总线控制系统FCS(Fieldbus Contro

21、l System 是新一代控制系统，突破了传统的集散式控制系统DCS(Distributed Control System)中通信由专用网络的封闭系统实现所带来的缺陷。使用基于标准化、公开化、数字化的解决方案，可以将不同厂商的自动化设备组建成系统，实现综合自动化的各种功能，使控制功能彻底下放到现场，实现新型的全分布式结构。基于 CAN 总线的现场总线控制系统FCS 硬件设计一般可以按如下步骤进行：(1)定义各节点的功能，确定各节点测控量的数目、类型、信号特征等。选择节点控制器和适配元件。(3)根据 CAN 总线物理层协议选择传输介质，设计布线方案，组成总线网络。考虑系统的可 靠性,进行适当的冗

22、余设计，传输介质可设两套，同时传输信息。若通信距离较长，在适当的地方 加接中继站，以扩展总线的通信距离。9目前大多数嵌入式系统还处于单独应用的阶段，以MCU 为核心，与一些检测、伺服、指示设配合实现一定的功能。In ternet 现已成为社会重要的基础信息设施之一，是信息流通的重要渠道，嵌入式系统连接到In ternet 上面，则可以方便、低廉地将信息传送到几乎世界上的任何一个地方。In ternet 和嵌入式设备的结合是嵌入式系统和网络技术的真正未来。10CAN的发展前景(1)CAN 将在竞争中占有一定的优势。目前市场上的现场总线产品除了国际标准IEC61158中包含的 8 种类型外，还有很多，如:LonWorks、DeviceNet 等。在今后一段时间内，这些总线产 品将与 CAN 总线共同发展,互相竞争。由于 CAN 总线所具有的高可靠性、实时性和灵活性等 突出优点，加上广泛的应用基础，预计 CAN 总线将越来越受欢迎，并最终成为市场占有率很高 的主要总线产品之一。与企业以太网(Ethernet)的互联。随着企业管理水平和信息化水平的提高、集成电路 技术和计算机技术的发展，必然要求处于底层的现场总线测控网段与企业高层的管理网络互 联,以便及时了解生产现场状况并实现管理和控制现场的操作。因此，C